luận văn nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị bù cos phi kết hợp lọc sóng hài tóm tắt

Sự xuất hiện của các khu côngnghiệp đòi hỏi sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng lên nhanhchóng, điều đó làm tăng tổn thất điện năng, công suất và chi phítruyền tải điện năng, giảm hiệu

ĐÀO ĐỨC HUY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ

BÙ COS PHI KẾT HỢP LỌC SÓNG HÀI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60520203

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2017

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Duy Cương

Phản biện 1: TS Đào Huy Du

Phản biện 2: TS Vũ Chiến Thắng

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:Phòng họp Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN, vào hồi

7 giờ 30 ngày 8 tháng 7 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu ĐH Thái Nguyên

và thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN

MỞ ĐẦU

Cùng với quá trình Công nghiệp hoá và hiện đại hoá Đất nước,nhu cầu phụ tải không ngừng gia tăng Sự xuất hiện của các khu côngnghiệp đòi hỏi sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng lên nhanhchóng, điều đó làm tăng tổn thất điện năng, công suất và chi phítruyền tải điện năng, giảm hiệu quả sử dụng mạng điện, đồng thời

Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng trong hệthống điện được sản sinh ra cũng nhờ được tiêu thụ dưới rất nhiềuhình thức Một số phần tử hệ thống điện chỉ tiêu thụ công suất phảnkháng, một số khác vừa tiêu thụ vừa có thể sinh ra công suất này Sựtiêu thụ và tạo ra công suất phản kháng thay đổi phụ thuộc vào nhiềuyếu tố khác nhau Vấn đề “bù công suất phản kháng” là một vấn đềhết sức phức tạp, liên quan đến rất nhiều tham số chế độ cũng nhưcác tham số hệ thống, mà không ngừng biến đổi theo thời gian Đã

có nhiều tác giả áp dụng các kết quả nghiên cứu của các nước khácnhau trong việc giải bài toán bù công suất phản kháng Tuy nhiên,đối với mạng điện phân phối nước ta, vấn đề bù công suất phảnkháng mới chỉ được đề cập đến ở một số khảo sát, đánh giá Trongkhi thị trường công suất phản kháng ở nhiều nước trên thế giới diễn

ra hết sức sôi động, thì ở nước ta công suất phản kháng chưa thực sựđược coi là một dạng hàng hoá mà mới được trao đổi dưới dạng phạt

lọc sóng hài” được thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách nói

trên Nội dung đóng góp chính của luận văn được trình bày trongchương 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1 Khái quát về công suất phản kháng

Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản cótải là điện trở và điện kháng sau (hình 1-1):

Hình 1-1: Mạch điện đơn giản (mang tính cảm) RL

CSPK là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát

ra trên điện dung của mạch điện

1.2 Nguồn phát sóng công suất phản kháng

Nguồn phát CSPK chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện,động cơ đồng bộ và máy bù

1.3 Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng

Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ CSTT (P) vàCSPK (Q) Sự tiêu thụ CSPK này sẽ được truyền tải trên lưới điện vềphía nguồn cung cấp CSPK, sự truyền tải trên lưới điện về phíanguồn cung cấp CSPK, sự truyền tải công suất này trên đường dây sẽlàm tổn hao một lượng công suất và làm cho hao tổn điện áp tăng lênđồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu kiến (S) tăng, dẫn đếnchi phí để xây dựng đường dây tăng lên

1.4 Tiêu chí bù công suất phản kháng

Vì vậy phải có những biện pháp để giảm lượng công suất này Mộttrong những biện pháp đơn giản và hiệu quả nhất đó là bù CSPK, saukhi bù sẽ làm cải thiện được các nhược điểm trên

- Việc bù CSPK có thể được thực hiện bằng các nguồn bùkhác nhau, tuy nhiên qua phân tích và với ứng dụng của khoa học kỹthuật thì việc sử dụng tụ bù tĩnh là hiệu quả hơn, vì vậy nó được ứngdụng rộng rãi

- Khi tiến hành bù CSPK có thể phân chia thành 2 chỉ tiêu bù:

bù theo kỹ thuật tức là nhằm nâng cao điện áp nằm trong giới hạn

cho phép Và bù kinh tế nhằm giảm hao tổn điện năng trên đườngdây từ đó sẽ đưa đến lợi ích kinh tế Tuy nhiên trong quá trình thựchiện không thể tách bạch 2 phương pháp này mà nó hỗ trợ lẫn nhau.

Chương 2 TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BÙ

CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 2.1 Xác định dung lượng bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất cosφ

2.2 Tính bù công suất phản kháng theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất

- Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia

- Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh

2.3 Bù công suất phản kháng theo điều kiện điều chỉnh điện áp

- Xác định dung lượng bù công suất phản kháng khi đặt thiết

bị bù tại 01 trạm

Giả thiết có một đường dây cung cấp điện như hình 2-1, có

Hình 2-1: Sơ đồ mạng điện dùng máy bù đồng bộ để điều chỉnh điện

- Dung lượng nhỏ nhất của máy bù đồng bộ và tụ điện tĩnhDung lượng bù cần thiết dùng để điều chỉnh điện áp phụ thuộcvào điện áp UA ở đầu nguồn, điện áp Ub cuối đường dây và tổn thấtđiện áp trên đường dây tải điện khi phụ tải là lớn nhất và nhỏ nhất.

Hình 2-2: Sơ đồ mạng điện một phụ tải

trạng thái làm việc của hệ thống điện và đường dây được tính toán

mà còn phụ thuộc vào tỷ số biến đổi k của MBA giảm áp B

Như vậy tùy theo trị số của k, điện áp Ub sẽ thay đổi và do đóthay đổi dung lượng bù Vấn đề chủ yếu ở đây là ta phải tìm tỷ sốbiến đổi k của MBA giảm áp sao cho dung lượng của máy bù cầnthiết để điều chỉnh điện áp nhỏ nhất

2.4 Dung lượng bù theo quan điểm kinh tế

Lượng công suất truyền tải trên đường dây và máy biến áp

tụ điện tại phụ tải làm giảm công suất phản kháng truyền tải trongmạng sẽ ảnh hưởng rất lớn tới giá thành truyền tải điện năng Trước

hết ta không thể chỉ dựa trên tiêu chuẩn rút bớt tổn thất điện năng

tiền phí tổn vận hành hàng năm không những không giảm mà còntăng thêm Như vậy để đảm bảo chỉ tiêu kinh tế của mạng điện, việc

Hình 2-9: Sơ đồ mạch tải điện có đặt thiết bị bù

2.5 Tính toán lựa chọn công suất và vị trí bù tối ưu trong mạng điện phân phối

- Tính toán bù trên đường dây có phụ tải tập trung và phân bốđều

- Xác định vị trí tối ưu của tụ bù

2.6 Kết luận

Chương 2 luận văn đưa ra phương pháp xác định dung lượng

bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất theo cácphương pháp khác nhau: phương pháp tính toán bù CSPK theo điềukiện cực tiểu tổn thất công suất; bù CSPK theo điều kiện điều chỉnhđiện áp; bù theo quan điểm kinh tế; và tính toán lựa chọn công suất

và vị trí bù tối ưu trong mạng điện phân phối

Chương 3 SÓNG HÀI VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI

TỚI TỤ ĐIỆN BÙ 3.1 Khái niệm về sóng hài

Chúng ta biết rằng các dạng sóng điện áp hình sin được tạo ratại các nhà máy điện, trạm điện lớn thì rất tốt Tuy nhiên càng dichuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạngsóng càng bị méo dạng, khi đó dạng sóng không còn sin

Hình 3-1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng hài

3.2 Nguồn tạo sóng hài

- Máy biến thế:

- Động cơ:

- Thiết bị điện tử công suất

- Bộ biến đổi công suất

3.3 Ảnh hưởng của sóng hài

- Ảnh hưởng của sóng hài tới lưới điện

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp

- Ảnh hưởng của sóng hài tới tụ bù công suất phản kháng

Tụ bù là thành phần tĩnh và tuyến tính nên nó không gây rasóng hài Tuy nhiên nó sẽ tương tác với các nguồn tự cảm của hệthống điện và có thể tạo ra điều kiện cộng hưởng song song ở tần sốhài Việc này làm tăng dòng qua tụ một cách đáng kể và có thể gây

ra nổ cầu chì, nhảy aptomat hay làm điện áp trên tụ tăng cao dẫn đếnphá hỏng chất điện môi hoặc tụ bị phồng, nổ.

3.4 Kết luận

Cộng hưởng sóng hài làm tăng đột ngột dòng và áp so với khikhông có cộng hưởng Cộng hưởng trong hệ thống được phân loạithành cộng hưởng song song và cộng hưởng nối tiếp, cả hai loại cộnghưởng này đều xuất hiện khi có sóng hài bậc cao Cộng hưởng songsong làm quá dòng và cộng hưởng nối tiếp gây ra quá áp Nếu biên

độ cộng hưởng áp và dòng đủ lớn thì tụ bù sẽ phải chịu tổn hạinghiêm trọng

Vì các lý do trên, phân tích sóng hài phải được tiến hành trướckhi lắp đặt các hệ thống bù công suất phản kháng nhằm giảm các hậuquả khôn lường với sóng hài trong tương lai

Chương 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG KẾT

HỢP LỌC SÓNG HÀI 4.1 Mô hình của hệ thống bù công suất phản kháng sử dụng tụ điện tĩnh

Phụ tải

Thiết bị đo suất

Bộ điều khiển

TỦ TỤ BÙ

CBs Tín hiệu

áp

Tín hiệu dòng

Máy biến thế

Hình 4-1: Bù CSPK sử dụng tụ điện bù

Ưu điểm của phương pháp này là nó có thể thích nghi với độbiến đổi của tải trong dải rộng, tuy nhiên phương pháp này cũng tồntại những nhược điểm đó là hiện tượng bù thừa/ bù thiếu, và tuổi thọcủa các thiết bị đóng cắt thấp

4.2 Ảnh hưởng của sóng hài tới tụ điện bù và phương pháp loại khử sóng hài sử dụng bộ lọc thụ động

Để loại bỏ các thành phần sóng hài tồn tại trong lưới điện, mộttrong các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là sử dụng bộ lọcthụ động

a) Bộ lọc đơn chỉnh

b) Bộ lọc bậc nhất

c) Bộ lọc bậc hai

d) Bộ lọc bậc ba

Hình 4-3: Các cấu hình của bộ lọc sóng hài thụ động

Bộ lọc sóng hài thụ động bao gồm điện cảm, tụ điện và điệntrở được cấu hình và điều chỉnh phù hợp đề loại bỏ các thành phầnsóng hài Một trong các cấu hình của bộ lọc sóng hài bị động phổbiến nhất đó là mạch lọc đơn chỉnh (single tuned filter) do tính kinh

Mỗi mắt lọc sóng hài đơn chỉnh chỉ có thể khử một thành phầnsóng hài, nên dung kháng của tụ tương ứng với thành phần hài bậc

Trong đó Ih ký hiệu cho dòng hài bậc h và Qfh biểu diễn lượng

4.3.2 Xác định điện áp và dòng điện định mức đối với tụ điện bù và kháng lọc.

a) Điện áp tụ điện bù khi có thêm kháng lọc

Giá trị điện áp hiệu dụng và giá trị điện áp đỉnh của tụ điệnphải không quá 110% và 120% giá trị điện áp định mức

b) Dòng điện qua tụ khi có thêm kháng lọc

Dòng điện qua mắt lọc sóng hài và bù CSPK phải được chọnbằng 135% dòng điện qua tụ (theo khuyến cáo của IEEE-18)

4.4 Thiết kế bộ điều khiển đóng cắt các cấp tụ

4.4.1 Cảm biến đo hệ số công suất

Cảm biến đo hệ số công suất đóng vai trò rất quan trọng trong

đề tài này Đầu tiên tín hiệu điện áp và dòng điện ở dạng sin được hạxuống giá trị thấp trước khi cho qua mạch bắt điểm không, mạch bắtđiểm không này được thực hiện bằng khuếch đại thuật toán đểchuyển từ sóng sin sang sóng vuông Tiếp đến hai sóng vuông đặctrưng cho điện áp và dòng điện này được sử dụng để xác định góclệch pha giữa điện áp và dòng điện Ta sẽ sử dụng 02 chân ngắtngoài, một bộ định thời (timer) của vi điều khiển (PIC18F4520) đểxác định khoảng thời gian sai lệch giữa xung điện áp và xung dòngđiện Nếu xung điện áp dẫn trước xung dòng điện thì hệ số công suất

được coi là hệ số công suất sớm pha (leading), suy ra cần bù tụ, tuynhiên nếu xung dòng điện dẫn trước xung điện áp được coi là hệ sốcông suất trễ pha (lagging), thì cần loại bỏ bớt tụ bù ra khỏi hệ thống.Dựa vào thời gian sai lệch giữa xung dòng điện và điện áp, cùng vớixung dòng điện hoặc điện áp dẫn trước ta có thể xác định được giá trị

hệ số công suất và hướng (leading hay lagging)

SETUP LCD Display

MCU

Zero crossing detection circuit

Hình 4-5: Thiết bị đo hệ số công suất sử dụng vi điều khiển

PIC18F4520

4.4.2 Bộ điều khiển logic

PF Meter

Cosphi_ref

Current Voltage

+ _

On/off CBs

Time delay

Hình 4-6: Sơ đồ cấu trúc điều khiển các cấp tụ bù

Bộ điều khiển logic của hệ thống bù CSPK được thực hiệnthông qua tín hiệu phản hồi về là giá trị hệ số công suất và nhận địnhsớm hoặc trễ pha (leading or lagging) để đưa ra cách đóng cắt cácthiết bị chuyển mạch sao cho phù hợp Thông thường tủ tụ bù gồm

Dựa vào giá trị hệ số công suất được cập nhật liên tục thì bộ điềukhiển logic sẽ quyết định xem đóng giá trị các cấp tụ cho tới khi giátrị hệ số công suất thực bám theo hệ số công suất mong muốn

Time (s)

Capacitor inserting /removing

Under compensation

Hình 4-7: Bù công suất phản kháng sử dụng các chuyển mạch

4.5 Mô hình mô phỏng sơ đồ bù CSPK kết hợp lọc sóng hài trên phần mềm Matlab/Simulink và kết quả mô phỏng

Hình 4-8: Sơ đồ mô phỏng hệ thống bù CSPK kết hợp LSH trên

Matlab/SimulinkThiết kế hệ thống bù CSPK kết hợp LSH 3 pha Phụ tải động

U=220V; Thiết bị phụ tải phi tuyến: cầu chỉnh lưu không điều khiển

3 pha; phụ tải một chiều R=50Ω

Kết quả mô phỏng hệ thống đạt được như các hình kết quảtrình bày dưới đây:

Hình 4-9: Dạng sóng dòng điện trước lọc

Đặc tính méo của dòng điện khi có sự hiện diện của tải phituyến (cầu chỉnh lưu) trong lưới điện Đường màu xanh là dòng điệnpha A, tiếp đến màu xanh lá cây là đường đặc tính dòng điện pha B,đường đặc tính màu đỏ biểu diễn cho đặc tính dòng điện pha C Dochọn tải là đối xứng nên ta có thể thấy được là dạng sóng của cả bapha tương đồng nhau

Hình 4-10: THD của dòng điện trước lọc

Để phân tích độ méo của sóng hài, ta sử dụng công cụ phânchuỗi fourier (FFT) Ta có thể thấy là độ méo sóng hài của dòng điệntrước lọc là 23.3% Các thành phần tác động mạnh tới hệ thống là hàibậc 5, bậc 7, bậc 11 và bậc 13

Hình 4-11: Dạng sóng điện áp trước lọc

Hình 4-12: THD của điện áp trước lọcSau khi phân tích tác động của sóng hài tới hệ thống, đề xuấtđược đưa ra là kết hợp LSH với bù CSPK Ta có được kết quả nhưmong đợi, độ méo sóng hài giảm xuống rất thấp (1.26%) Dạng sóngcủa dòng điện gần như hoàn toàn sin (hình 4-13)

Hình 4-13: Dạng sóng dòng điện sau khi bộ bù CSPK kết hợp LSH

tác động

Hình 4-14: THD của dòng điện sau lọc

Hình 4-15: Dạng sóng điện áp sau khi bộ bù CSPK kết hợp LSH tác

động

Hình 4-16: THD của điện áp sau lọcKết quả mô phỏng từ hình 4-9 tới hình 4-16 chỉ ra cho ta thấyrằng trước khi bộ bù CSPK kết hợp LSH tác động vào hệ thống thì

hệ số công suất của hệ thống là 0.7, và độ méo sóng hài của dòngđiện và điện áp là rất cao, THD của dòng điện và điện áp lần lượt là23.3%, và 9.45% Trong khi độ méo sóng hài cho phép theo tiêuchuẩn của IEE là dưới 5% Sau khi bộ bù CSPK kết hợp LSH đượcđưa vào hệ thống, bên cạnh việc nâng cao hệ số công suất từ 0.7 lên0.97 thì độ méo sóng hài cũng gần như được loại bỏ hoàn toàn Điềunày được minh chứng qua độ méo sóng hài của dòng điện và điện ápsau lọc lần lượt là 1.26% và 0.87%.

4.6 Kết quả thực nghiệm

Hệ thống thực nghiệm bao gồm có: Máy biến áp cách ly, tải,

tụ bù, kháng lọc, thiết bị đo hệ số công suất và điều khiển các cấp tụbù

Hình 4-17: Hệ thống thực nghiệm của đề tài

Để tạo nguồn sinh sóng hài, trong đề tài này sử dụng chỉnh lưucầu không điều khiển toàn chu kỳ một pha, và điện trở tải là 53Ω.Thiết kế hệ thống bù CSPK kết hợp LSH 1 pha thực nghiệm

áp hiệu dụng U=220V; Thiết bị phụ tải phi tuyến: cầu chỉnh lưukhông điều khiển 1 pha; phụ tải một chiều R=53Ω

Hình 4-18: Điện áp của chỉnh lưu cầu toàn chu kỳDạng sóng điện áp 1 chiều đầu ra của chỉnh lưu cầu toàn chu

kỳ không điều khiển được đo trên máy hiện sóng như ở hình 4-18, đơn vị đối với mỗi ô là 10v/div và ở chế độ nhân 10 đối với que đo

Hình 4-19: Tín hiệu dòng điện trước khi có bộ bù CSPK kết hợp

LSHĐặc tính dòng điện đối với tải phi tuyến là cầu chỉnh lưu 1 phatoàn chu kỳ không điều khiển có dạng như ở hình 4-19 Độ méo sóng

11th, và bậc 13th Từ đây ta có thể đưa ra các thông số của bộ lọc dựavào các thiết bị tụ bù có thể mua được trên thị trường Đồng thờikháng lọc được sử dụng là biến áp tự ngẫu Ta sử dụng biến áp tựngẫu là để dễ dàng hiệu chỉnh giá trị cuộn kháng như mong muốn.Khi cho bộ bù CSPK kết hợp LSH tác động vào hệ thống, tathu được dạng sóng của điện áp như hình 4-20.

Hình 4-20: Tín hiệu dòng điện sau khi bộ bù CSPK kết hợp LSH tác

độngTrên hình 4-20 ta có thể thấy dạng sóng điện áp của hệ thốngsau lọc có dạng sin, biên độ là 50mV- giá trị này đo được thông quabiến dòng có hệ số 50/5 và điện trở shunt là 1 ohm, do đó giá trịdòng thực qua tải là 0.5A Ở thời điểm ban đầu thì độ méo lớn vànhiều xung nhiễu, điều này có thể lý giải là quá trình nạp điện của tụ

có ảnh hưởng tới thời điểm ban đầu và xung gai nhiễu xuất hiện cóthể là do nhiễu phép đo